פרישה של פלטפורמות מוקשחות עבור יישומים של כלי רכב בלתי מאוישים

מאת: Ingrid Einsiedler, Kontron. אחד משטחי היישום, שלגביו הוכח שהוא גורם המשנה את האופי שמשחק באופן יסודי בתחום הצבאי, הוא התפתחות של מערכות וכלי טיס בלתי מאוישים שאפשר להשתמש בהם על מנת לספק מודיעין, מעקב וסיור (ISR). עם היכולת שיש להם כיום לפעול בשליטה מרחוק, כלי רכב בלתי מאוישים אלו מעמידים גם כמה מאתגרי התכנון הקשים ביותר. הסיבה לכך טמונה בצורך לארוז יכולת מחשוב ברמה גבוהה ואלמנטים של איסוף נתונים והפצתם בתוך מגבלות של גודל, משקל וצריכת הספק מזעריים, תוך כדי שמירה על היכולות המוקשחות לפעול בסביבות דורשניות ביותר. מעבר לכך, היכולות של כטב”מים הועברו הרבה מאוד אל מעבר למטרות המקוריות של “המזל”טים”, ואלו מתאפיינים כיום ברמה מתקדמת של מערכות חכמות על הכטב”ם, עם יכולת של טיסה באוטונומיות רבה ביותר ועם יכולת עצמית של ביצוע כיוונונים ברמה מתקדמת. המורכבויות של מערכות מבוססות כטב”מים כאלו מחייבות שימוש בפתרונות מחשוב בעלי ביצועים גבוהים ועם רוחב פס גבוה, אשר מוסיפים ניהול הספקים יעיל לרשימה של אתגרי התכנון. המהנדסים מפרקים לגורמים את הגישה לנתוני זמן אמת בתכנוני מערכות התקשורת שלהם, מבוססות התקנים, בעלות יכולת פעולה ביינית (interoperability) גבוהה ביותר.
על פי התוכנית התעופתית הלא מסווגת של חיל האוויר האמריקאי לשנים 2009-2047, “תקנים ויכולת פעולה ביינית נחשבים לבעלי חשיבות רבה להשגת עליונות של המידע על ידי הכוחות המשולבים בסביבה המרושתת של ימינו”. אי לכך, המטרות של פיתוח כטב”מים מכתיבים שימוש בקבוצה משותפת של שלדות מטוס אשר מבוססות על שימוש בממשקים סטנדרטיים ובמטע”די “תקע והפעל” (plug and play) בעלי יכולת פעולה ביינית. השימוש ההכרחי הזה ביכולת פעולה ביינית מחייב גישה של שימוש בארכיטקטורה פתוחה עם רכיבים מסחריים מהמדף (COTS). עם זאת, הטווח של שלדות מטוסים שפרוש היום בתוספת למערכות הבקרה והשליטה הקרקעיות הנלוות אליהם, מחייב את המתכננים לפתח הבנה מעמיקה לאפשרויות בתחום המחשוב המשובץ ולאפשרויות ברמת המערכת העומדות לרשותם.
מאמר זה מתאר את טכנולוגיות המחשוב המשובצות, המבוססות רכיבים מסחריים מהמדף, ואת הפתרונות לניהול חום הקשורים אליהם, אשר מסייעים בתכנון כטב”מים מתקדמים. הוא מציג גם שיקולי תכנון חשובים ואפשרויות מבוססות מערכות COTS בנות קיום שמסייעות להתגבר על אתגרי הפיתוח העומדים בדרך להשגת מערכות באינטגרציה הדוקה, אשר עומדות במטרות המאוחדות של הצבא בעלות יכולת פעולה ברשתות ועם יכולת השגה של יעדי משימות המודיעין, המעקב והסיור (ISR) שהוא מעמיד.

הטכנולוגיה מניעה את היכולות המורחבות של הכטב”מים
אחד השיקולים הראשונים שיש להם חשיבות הוא הערכה של הטווח הרחב של פלטפורמות חדשות ושל פתרונות חדשים ברמת מערכת, אשר יכולים לתמוך בצרכים של יישום כטב”ם ליכולות מוגברות של מחשוב ותקשורת ובקרת פעולה גדולה יותר בזמן אמת. מערכות כטב”מים מורכבות וכוללות תחנות קרקעיות ומרכיבים נוספים בנוסף לכלי הטיס עצמו, כך שפלטפורמות משובצות חייבות להיות מסוגלות לתמוך בריבוי משימות, בניגוד לאנשי תכנון בתחום הצבאי שעליהם לפתח מערכות מרובות המיועדות למשימות נפרדות. לדוגמה, תוכניות הסיור של כטב”מים חייבות לכלול פונקציות מרובות במטע”דים שלהם, כמו למשל מערכות תצפית, חיישני חום, חיישני הספקטרום האלקטרו-מגנטי, חיישנים ביולוגיים וחיישנים כימיים. כבר היום אפשר למצוא זמינים פתרונות מחשוב משובצים בעלי ביצועים גבוהים ורוחב פס גדול ובעלי תכונות מרובות אשר משולבים עם יכולת אחסון בצפיפות גבוהה, עד לביצוע המשימה של טיפול בדרישות העצומות ליכולת מחשוב ובכמויות הגדלות בהתמדה של נתוני חיישנים. אנשי תכנון של מערכות צבאיות פונים כל העת לשימוש בפלטפורמות מבוססות תקנים, כמו למשל מחשבים על מודולים ®CompactPCI ו-VPX על מנת להשיג את יעדי תוכנית יכולת הפעולה הביינית במערכות המודיעין, המעקב והסיור שלהם.
עם זאת, יש לשקול את השימוש בכל אחת מאלו גם מבחינת היכולת לעמוד בדרישות הגודל, המשקל וצריכת ההספק (SWaP) שלהן ובדרישות ניהול החום העומדות בפני שלדת המטוס והמשימה שלו.
לדוגמה, שלדות מטוס קטנות יותר עם דרישות ביצועים גבוהות, ייחשבו למועמדות מתאימות ביותר לשימוש בפתרונות מבוססי מחשבי COM. אפשר למצוא טווח שלם של מחשבי COM מבוססי עיבוד במעבדי CoreTM i7 החדשים של ®Intel, אשר מציעים רמות יעילות מוגברות של המעבד ומספקים שלמות אותות טובה יותר וביצועים מוגברים עבור תכנוני כטב”מים, כאלו שיש בהם מגבלות מקום. מחשבי COM חדשים אלו, אשר מספקים פריצות דרך משמעותיות עבור יישומי כטב”מים עם הדמיה או מעקב מרובי מחשוב וגרפיקה, שיפרו את ביצועי זרימת הנתונים בזכות קבוצה חדשה של שבבים משולבים וממשקי תצוגה מתקדמים.

דרישות היישום העיקריות
בפני כל שלדת מטוס מוגדרת, עומדות דרישות מסוימות אשר משתנות עם היעדים התפעוליים הייחודיים שלה, עם זאת, קיימות כמה דרישות חשובות שעמידה בהן נחשבת לחיונית ביותר לפרישה המוצלחת של מערכות מחשוב משובצות עבור תוכניות של מודיעין, מעקב וסיור.
יכולת שרידה ואמינות בתנאי סביבה קשים
היתרונות של התכונות המתוחכמות החדשות של כטב”מים ביישומי מודיעין, מעקב וסיור, עלולים להתבטל אם המערכת לא תוכל לפעול ברציפות ובאמינות בתוך סביבת היעד שלה. גישת התכנון, אשר לאורך זמן הוכח שהיא היעילה ביותר, היא למקם את פתרון המחשוב המשובץ בתושבת או במארז אשר מיוצרים לעמידה בדרישות תקן MIL-E-5400 Class 1 מבחינת הביצועים התרמיים, בדרישות תקן MIL-901D מבחינת ההלמים ובדרישות תקן MIL-167-1 מבחינת הרעידות, והם יבטיחו לאיש התכנון שהפתרון יכול לעמוד בתנאים קיצוניים מוגדרים של חשיפה לטמפרטורה, לרעידות, להלמים, לרסס מלח, לחול ולחומרים כימיים, תוך כדי שמירה על סביבה אטומה ומבוקרת מבחינת הטמפרטורה עבור מרכיבי המחשוב והמערכות האלקטרוניות שבתוכם.
אפשר להתאים תושבות COTS תקניות על מנת שיעמדו בצרכים מסוימים, כמו למשל אלו המיועדים לקירור או להתקנה עמידה להלמים ביישומים ניידים. בגלל מגבלות הגודל, המשקל וההספק ומגבלות תנאי הסביבה, מתכננים רבים של כטב”מים בוחרים במתודולוגיות של קירור בהולכה (בסיוע מניפה או בלעדיה). על כן, שימושי להיות מסוגל לבחור בין מגוון של אפשרויות קירור והתקנה כבר בהתחלה, ולאחר מכן לבנות את המערכת המותאמת באופן מיטבי על בסיס שפעולתו הוכחה. קבוצה של קווי הנחיה כלליים (עיין בטבלה 1), אשר מציינת כמה הספק מתפזר לכל אינץ’ של מרווח בכל שיטת קירור, תסייע לאנשי התכנון לבחור בפתרון המיטבי לניהול חום. ואולם, מאחר שלכל יישום יש משוואת חום ייחודית, היכולת לשדרג פלטפורמות מסחריות מהמדף עם עמידה בתקן MIL-E-5400 שאותן אפשר גם להתאים באופן אישי ולסגל אותן כך שיתאימו לדרישות של שלדת מטוס מסוימת או של תוכנית מסוימת היא שיקול חשוב.
הבחירה בשיטת קירור מונעת בעיקרה על ידי פיזור ההספק הכולל. עם זאת, לגורמים חשובים אחרים יכולה להיות השפעה משמעותית. לדוגמה ביישומים מוטסים, יש חשיבות ללחץ הסביבתי מאחר שלצפיפות האוויר יש תפקיד חשוב בנצילות התרמית של מערכת עם מארזים מקוררים באוויר מאולץ או בהסעה פסיבית. קירור בנוזל משמש רק במצבים שפועלים ברמות הספק גבוהות מאוד או שלא קיימים אוויר לקירור או לוחות לקירור. עם זאת, העלות המוגדלת של המערכת והזמב”ת (MTBF) הכולל של מערכות המקוררות בנוזל, מהווה שיקול חשוב ויש צורך לנתח אותו אל מול פתרונות פשוטים יותר.
בתוך התושבת, אפשר לבסס את האלמנטים של המחשוב והתקשורת על לוח האם או על מודולים. התקנים הנפוצים ביותר של לוחות אם עבור סביבות צבאיות הם , ®CompactPCI ו-VPX. תקני המודולים הנפוצים ביותר הם ®Com Express ו-PC-104. אפשר לבצע בקלות את הקונפיגורציה של מערכות מבוססות לוח אם בזכות המספר הגדול של מוצרים של מעגלים מסחריים מהמדף הנמצאים בשוק. לחלופין, מערכות המבוססות מודולים בדרך כלל יהיו קטנות יותר ויצרכו הספק קטן יותר, תכונה מתאימה במיוחד ליישומי כטב”מים. המבחר מסתכם בבחירה של הפתרון המתאים במדויק לדרישות ההספק, הביצועים וליכולת ההתרחבות של המערכת.
תכנון לצורכי וידיאו ואחסון
הכמות של נתוני תוכן ויזואלי ונתוני תוכן אחרים המצטברת היום בשגרה על ידי כטבמי”ם נחשבה לבלתי נתפסת עד לפני כמה שנים. בנוסף, לדרישה לניטור מרחוק בזמן אמת, כמו גם לאינטגרציה של יכולות תקיפה, יש צורך ברמות גבוהות בהרבה של ביצועי מחשוב. מעבר לאיסוף ולאחסון נתונים, המערכות שעל הכלי חייבות להיות מסוגלות מידע חזותי בזמן אמת. ברור מאליו כמעט שביצועי מחשוב הנדרשים לתמיכה בקצבי נתונים גבוהים אלו חייבים להיות יוצאי דופן.
עבור יישומי הדמיה אלו לזמן אמת, מציע תקן VPX עיבוד ברוחב פס גדול יותר באמצעות מארגים (fabric) ממותגים טוריים אשר מאפשרים שיפורים משמעותיים בביצועים של יישומי תת מערכות. פלטפורמות מבוססות VPX מציעות עיבוד בביצועים גבוהים יותר לכל חריץ התקנה וחיבורים פנימיים במהירויות גבוהות יותר בין מרכיבי העיבוד ומרכיבי הכניסות והיציאות באמצעות PCI Express, 10 gigabit Ethernet ו-sRIO. החיבורים הפנימיים האלה מספקים קצב של 10 ג’יגה-סיביות בשנייה (Gb/s) בין המרכיבים וכמה מאות של ג’יגה-ביית בשנייה במצטבר, בתלות במימוש של המערכת. אפשר גם לשלב את VPX עם תקני CODEC כמו למשל ITU-T, H.263, H.264 ו-JPEG2000 על מנת לספק דחיסת וידיאו יעילה ביותר.
בזכות המגוון והזמינות של מוצרים מסחריים מהמדף, אפשר לתכנן חלק מהיישומים באופן הטוב ביותר עם יותר ממבנה אפיק (bus) אחד. לדוגמה מתג מסוג ®CompactPCI יכול לשמש עם מעגל מבוסס VPX על ידי שימוש בלוח אם הייברידי.
מערכות מסחריות מהמדף מקוררות בהולכה, כמו למשל מארז ATR קצר בגודל 1/2 מתוכננות עבור תוכניות כטב”מים ארוכות טווח, נתמכות על ידי VPX ועומדות
בתקן MIL-E-5400. תת מערכות מודולריות המיועדות לאחסון בצפיפות גבוהה ומבוססות SSD נפרשות על מנת לטפל ביעילות בכמויות גדולות של נתונים ולתמוך בהחלפה מהירה לקבלה של יכולת תשאול מהיר ו/או זמני סבבים קצרים במקום המתנה ארוכה להורדת נתונים דרך חיבור קלט/פלט. חשוב לציין עם זאת, ש דרישות קונפיגורציה מסוימות הקשורות לשלדת מטוס עלולות להופיע ולחייב תכנון של לוח אם בהתאמה אישית עם אפשרויות של ניתוב יציאות וכניסות. לדוגמה, המיקום בתוך המערכת קריטי עבור מעגלי VPX וספקי כוח שמפיקים חום על מנת לאפשר ניהול יעיל של דרישות העמסת החום ועלול להידרש פתרון קירור בהתאמה אישית או התקנה וקירור של התושבת באופן מסוים.

המתכננים יכולים לקבוע את הקונפיגורציה של COBALT לפעולה במתח כניסה של 28 וולט מתח ישר או של 115 וולט מתח חילופין לקבלת תאימות עם טווח רחב של יישומי מודיעין, מעקב וסיור בכטב”מים.

מציאת הפתרון המסחרי המיטבי מהמדף
רשימה של פתרונות מסחריים מוקשחים מהמדף, אשר עומדים בספקטרום רחב של צורכי תכנון מערכות צבאיות, מוצגת לאורך המאמר. יחד עם זאת, בכמה תכנונים של כטב”מים ומערכות של כטב”מים נבדקים הגבולות של פלטפורמות מבוססות מערכות מסחריות מהמדף. אחת האפשרויות הכדאיות מבחינת העלות היא לשדרג פלטפורמות מסחריות מהמדף עבור תכנונים בהתאמה אישית. מחזור של טכנולוגיות שפעולתן הוכחה מאפשר פיתוח מהיר יותר, אמינות גבוהה יותר ומספק גמישות תכנון גדולה יותר תוך אספקה מתמדת של חדשנות לתכנונים עתידיים.
דוגמה לפלטפורמה מסחרית משודרגת מהמדף היא COBALT של Kontron מבוססת המודולים. COBALT מאפשרת למתכננים ליצור מדרג של ביצועי מחשוב ממחשבי COM מבוססי המעבד AtomTM של ®Intel הפועלים ב-5 וואט עד מערכות CoreTM 2 Duo של ®Intel רבות היכולת הפועלות ב-25 וואט.
בין אם איש התכנון משלב פלטפורמה מבוססת מערכות מסחריות מהמדף או שהוא משתמש במערכת כזו כבסיס עבור תכנון של כטב”ם או מערכת של כטב”ם, שתי האפשרויות מציעות יכולת שדרוג עתידית ויכולת לשפר את תהליכי הייצור על פני תוכניות מרובות, על מנת להקטין עלויות ולהרחיב את שיתוף הפעולה בין תוכניות. חשוב אף יותר, ההתקדמות הטכנולוגית המסופקת על ידי פלטפורמות המבוססות על מחשבי COM, על ממשק ®CompactPCI ועל תקן VPX וההתפתחות של שיטות קירור בנות קיום ושל מארזים מבטיחות שהציפיות המתרחבות בתחומי ההקשחה, יכולת הפעולה ברשת וההדמיה בזמן אמת ביחס לתכנוני הכטב”מים והמערכות של הכטב”מים שנערכים כיום יהיו מוכנים לפרישה בתוכניות איסוף מודיעין, מעקב וסיור.
אינגריד איינסידלר הינה מנהלת שיווק MAG בחברת Kontron